在研究区选取22块有代表性的不同密度长期侧柏人工林地作为研究对象,每块样地面积均为20 m*20 m,其中1—6号样地位于济南市燕子山林场,7—14号样地位于济南市黑峪林场,15—22号样地位于淄博市原山林场。所有样地的侧柏人工林均于20世纪60年代造林,林龄相近,林地的土壤类型为褐土,大多由石灰岩母质发育而成,林下植被主要有君迁子(Diospytos lotus)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、荆条(Vitex negundo var.Heterophylla)、羊须草(Carex callitrichos)、珍珠菜(Lysimachia clethroides)等。调查各块样地的林分生长特征和立地因子,样地调查因子包括:林分密度、胸径、树高、郁闭度、林下盖度、坡度、坡向、海拔、坡位等,结果见表1。

表1 不同密度侧柏人工林样地基本概况

2017年6月在每块样地采用蛇形取样法采集土壤样品,随机选取4个采样点,用土钻采集0—20 cm土层样品,每个采样点约1 kg,去除其中的植物根系、动植物残体,混合均匀后用四分法取1 kg土样,装袋后带回实验室。将土样置于实验室阴凉处自然风干,分成两份,分别过20目筛和100目筛备用。

将供试侧柏人工林土壤样品的8个物理指标、7个化学指标和4个生物指标分别进行因子分析来评价土壤物理质量、化学质量和生物质量。3类土壤指标数据经标准化后通过计算,分别选择前4,4,3个公因子,累积方差贡献率分别为91.43%,84.26%,92.16%(表2),均包含了绝大部分原始数据的足够信息,能满足因子分析的要求。因子分析中一般要求所提取的公因子能反映全部信息的80%以上即可。

表2 土壤物理、化学和生物学性质公因子特征根及贡献率

为突出各个主因子的典型代表变量,采用方差极大(Varimax)旋转法,求得旋转后公因子载荷表(表3)。由表3可以看出,在土壤物理质量评价中决定公因子1的主要是土壤容重、土壤孔隙度、非毛管孔隙度,公因子2主要反映了毛管孔隙度,公因子3和公因子4则分别主要由土壤黏粒含量和腐殖层厚度决定,这也说明土壤通气性对物理质量具有重要影响作用; 在土壤化学质量评价中,公因子1主要由CEC和水解氮决定,公因子2则主要由有效磷和有效钾决定,公因子3和公因子4则分别由土壤EC和pH值决定,这说明土壤养分决定了土壤的化学质量。对于土壤生物质量而言,公因子1主要反映了过氧化氢酶和脲酶活性,公因子2和公因子3则分别由蔗糖酶和细菌数量决定。

由于各个公因子对土壤质量的影响程度不尽相同,因此必须对各公因子赋予不同的权重,以区分不同公因子影响作用的大小。为了更合理地确定权重,客观突出各公因子的影响程度,以公因子特征根贡献率作为该公因子的权重值^[20]。

表3 旋转后公因子载荷

按因子分析的要求计算各样地土壤物理、化学和生物质量主要公因子得分值,然后将各公因子得分与权重值分别相乘,加合后得到各个样地不同土壤性质的质量分值,进而计算得出土壤质量综合得分(表4)。将土壤质量综合得分与所有19个土壤指标进行Pearson相关分析,分析结果表明,土壤质量综合得分与土壤硬度、有机质和过氧化氢酶活性量的相关性达到显著水平,与毛管孔隙度、水解氮和脲酶活性达到极显著水平(表5)。

评价结果表明,土壤物理、化学和生物质量分值最高的样块分别为6号、21号和22号; 土壤质量综合得分最高的样地为22号,最低的为10号样地。通过对各调查地点进行比较可知,3个调查地点燕子山林场、原山林场和黑峪林场的土壤质量平均得分分别为0.37,0.35,0.42,黑峪林场的土壤质量相对较好一些。由图1可以看出,燕子山林场土壤的物理质量、原山林场的土壤化学质量和黑峪林场的土壤生物质量相对较好。

表4 不同密度侧柏人工林土壤质量评分结果

Pearson相关分析表明,林分密度与土壤生物质量之间的相关系数为-0.438,相关性达到显著水平(p<0.05),而与土壤物理、化学质量及土壤综合质量之间的相关系数分别为0.113,-0.281,-0.344,均没有达到显著性水平; 但由图2可以明显看出,随林分密度增加,土壤化学、生物质量分值和土壤质量综合分值均呈明显下降趋势,而土壤物理质量分值没有明显变化规律。

表5 侧柏人工林土壤质量综合得分与不同指标之间的相关性

图1 不同调查地点侧柏林的土壤质量分值

图2 林分密度对土壤物理、化学、生物质量及综合质量的影响

根据鲁中山地长期侧柏人工林的密度分布情况,将供试侧柏林分成4组,分别为<2500,2 500～3 500,3 500～4 500,>4 500株/hm²,分别计算出各密度组林地土壤的物理质量、化学和生物质量平均分值,以及土壤综合质量平均得分。通过对不同密度组进行比较可知(图3),在林分密度较低时(<2 500株/hm²),土壤化学、生物质量和土壤综合质量均明显高于其他密度组; 随林分密度增加,土壤物理质量平均分值表现出先降后升的趋势。林分密度大于2 500株/hm²的3个密度组土壤质量得分非常接近,而<2 500株/hm²密度组的土壤质量平均得分为0.67,分别是2 500～3 500,3 500～4 500和>4 500株/hm²密度组的2.11,2.02,2.27倍。研究结果表明,鲁中山地长期侧柏林土壤质量受林分密度影响较大,密度较低时有利于林地土壤质量的提升,化学性质和生物性质也有明显改善。

图3 侧柏人工林不同密度分组的土壤质量分值

土壤质量是一个复杂的功能体,受地形、气候、成土母质、植被等自然因素和人为因素共同影响,不能直接测定,但可通过土壤质量指标来间接推测^[4]。在进行森林土壤质量评价时,关键是建立合理的评价指标体系以及选择适宜的评价方法。路鹏等^[21]提出在进行土壤质量评价时应包含物理、养分和生物这3类指标。由于土壤质量主要包括物理、化学质量和生物质量,因此选择评价指标时应从众多土壤物理、化学和生物学指标中选取。本研究主要从可比性、适用性、代表性、易测性等多方面考虑,选取了8个土壤物理指标,分别为腐殖层厚度、容重、孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、毛管持水量、黏粒含量和土壤硬度; 7个土壤化学指标,分别为pH值、电导率、CEC、有机质、水解氮、有效磷和有效钾,均是在土壤质量评价中被使用较多的主要指标。

土壤生物学性质主要包括土壤酶活性和微生物特性等方面,是森林生态系统中土壤质量的重要研究内容,在一定程度上反映了土壤肥力状况。本研究选取了4个土壤生物学指标,分别为土壤过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶和细菌数量。土壤酶具有专一性强、灵敏可靠的特点,与土壤理化性质、生物多样性等密切相关,常被运用于土壤质量评价和森林生态监测^[22]。但由于酶活性受外界环境影响较大,在将土壤酶用于土壤质量评价指标时,应该从总体上考虑酶活性,而不能只着眼于单一酶类型; 土壤过氧化氢酶可促进过氧化氢分解,表征土壤的生物化学活性^[23],脲酶活性可反映氮素的转化强弱^[24],蔗糖酶能够体现土壤中有机碳的积累、分解和转化^[25],能够综合反映土壤生物学性质。

在土壤质量评价中,多数研究者基本上都是综合土壤物理、化学、生物学3大类指标,一起去评价而得出最终结果。国内外学者们使用的评价方法通常有:质量指数法、模糊数学法、层次分析法、灰色关联度法、主成分分析法、人工神经网络法、因子分析法等^[1,4],这些数学方法提供了定量化手段,促进了土壤质量评价的发展。在多种方法中,国内应用最多的是模糊数学法、质量指数法和主成分分析法,而国外常用的评价方法主要是质量指数法、质量模型、多元线性回归和相对质量法^[26]。本研究选用了因子分析法对鲁中山地长期侧柏林不同密度林地土壤质量进行综合评价。因子分析法能够更大限度地降低不同指标之间相关性对评价结果的影响,比较准确反映林地土壤质量真实情况^[27]。

林分密度是人工林经营的重要环节,直接影响到森林群落内水分和光、热的合理分配,会使林下生物多样性和林分结构发生改变^[28]。目前,关于人工林密度对林木生长和养分循环影响方面的研究较多^[29-31]。鲁昭伟等^[32]研究了北京山地不同密度侧柏人工林的土壤水文效应,结果表明土壤总孔隙度随林分密度(1 500～2 900株/hm²)增加表现为先增大而后减小,土壤有效持水能力随林分密度增加表现为先减小后增大,以1 500株/hm²最强。康冰等^[33]研究了马尾松人工林林分密度(1 050～2 250株/hm²)对土壤性质的影响,发现在1 800株/hm²密度时林地养分总体较高,土壤物理和化学特性要优于过疏或过密林分。林分密度过大时,针叶存留时间长,以凋落物形式归还给土壤的养分减少,不利于人工林系统内的养分再循环^[34],从而降低林地土壤质量。但尚未有人研究林分密度对林地土壤质量的综合影响作用。

根据山东省第八次森林资源清查结果^[35],2014年侧柏人工林面积为11.36万hm²,占全省人工针叶林总面积的44.4%,是山东省栽植面积最大的针叶林树种,是鲁中山区瘠薄青石山地绿化造林的首要树种。目前该区侧柏人工林普遍存在密度过大,郁闭度过高,林木生长较差的问题。本研究采用因子分析对鲁中山地长期侧柏人工林土壤不同性质质量及土壤综合质量进行了分析评价,结果表明,随林分密度增加,土壤化学、生物质量和土壤综合质量均呈下降趋势,而土壤物理性质没有明显变化规律。林分密度与土壤生物质量之间存在显著负相关。在林分密度较低时(<2 500株/hm²),土壤化学性质、生物性质和土壤质量的平均分值均明显高于其他密度组。

侧柏林木在林分密度较低时生长较好,胸径和树高均有大幅提高(表1),地上部生物量随之增加,林地表层枯落物也相应较多,枯落物分解产生了更多的有机酸,同时增加了土壤有机质和养分含量; 林分密度过大则会加速植物对土壤养分的吸收,而侧柏林内凋落物的分解速率较低^[36],归还给土壤的养分减少,造成植物对养分的吸收速度大于养分补偿的速度,从而在长期入不敷出的情况下降低了土壤养分含量^[37],致使土壤化学和生物质量下降,进而降低了土壤综合质量。本研究发现,侧柏人工林土壤物理性质平均分值随林分密度增加表现出先降后升的趋势。侧柏人工林在林分密度较低时,林下植被物种多样性较好^[38],植物根系对土壤的切割作用较强,同时会产生较厚的凋落物和腐殖质,加速土壤表层团粒的形成,使土壤疏松,增加孔隙度^[39],从而提高土壤物理质量。与林分密度对土壤化学、生物质量的影响不同,密度过高并未降低土壤物理性质,其中的影响机制尚不清楚,有必要在后续研究中进行深入探讨。

总得来说,鲁中山地长期侧柏林土壤质量受林分密度影响较大,密度较低时有利于林地土壤质量的提升。因此,应尽快对鲁中山地长期侧柏人工林采取合理间伐措施,降低林分密度,提高土壤质量,从而促进林分生长,以利于其更好地发挥生态效益。